多制式模块化绿色UPS电源技术

一、前言

近年来，国家在“信息化带动产业化”及“节能减排低碳经济”的方针指引下，我国各企事业单位的信息化建设步伐大大加快，这使得UPS的市场需求量逐年快速增长。随着节能减排的政策要求UPS技术的迅猛发展，UPS技术本身也在不断的进步着。目前广泛应用的传统型UPS存在着诸多的问题，主要表现在：

1.运行效率低下，普遍轻载效率低于80%。

2.采用工频变压器等元件将消耗大量的钢材和铜，成本高、体积笨重。

3.普遍采用了不控或相控整流器，其输入功率因数随负载的降低而降低，并产生大量的谐波电流注入电网。

4.可用性差，单机不能冗余运行，可靠性低，故障率高，维护难及初期投资成本大。

当前UPS存在的问题，向UPS厂商提出了更高的要求。目前，电源领域的专家一致认为，UPS应向“绿色化、模块化，智能化”方向发展。“绿色化”要求UPS电源系统以高效率及高功率因素运行，并对电网不造成谐波污染，对其他用电设备不产生电磁干扰。“模块化”在大幅提高供电系统可靠性，降低初期投资容量、热插拔简化维护操作的同时，由于避免了“大马拉小车”的工况，实现了节能降耗。“智能化”可实现UPS的多制式运行及灵活的故障诊断与保护，确保供电系统可靠运行。

由于电信数据业务和IT支撑平台的发展，特别是IDC(客户托管机房)业务的开展，使得通信机房内服务器等使用交流供电的IT设备大量增加，相应配置的UPS(交流不间断电源)的数量也与日俱增。但由于传统整机式UPS的一些弊病，为企业网络发展规划和通信电源维护工作带来很大的困扰，而模块化UPS正是人们为解决传统整机式UPS供电的局限性而发展起来的一种新型UPS设备。

二、模块化UPS将是绿色电源必然的发展方向

满足“绿色电源”特征的模块化UPS将是必然的发展方向，但长期以来其国内市场一直为国外产品所垄断。国外产品价格昂贵，维修不易。因此，开发具有自主知识产权的模块化绿色UPS是推动我国电源产业快速发展、实现各行各业高效用电的重要举措。

广东志成冠军集团为国内UPS行业的笼头企业。经过多年自主研发UPS的技术，高频模块化绿色UPS于2006年10月成功推出。该产品填补了国内空白。

1、高可靠性的模块化技术

由模块化绿色UPS所构成的供电系统框图如图1所示。通过UPS模块的并联运行，将大幅提高供电的可靠性，节省初期投资，而功率模块与旁路模块的热拔插功能大大简化了维护工作。

图1 UPS模块化冗余运行示意图

图1中，模块化UPS供电系统由3个UPS模块并联运行为负载供电，其中，UPS模块的主电路框图如图2所示，主要包括PFC高频整流器，三相三电平逆变器及逆变输出隔离开关(接触器)等部分。其中，交流接触器用于在关机或故障时将逆变器从并联系统中断开，便于检修与维护。

图2 UPS模块的主电路框图

如图2所示，三相或单相市电电源从空气开关输入，进入PFC高频整流单元。高频整流单元是UPS与市电电网的接口部分，它将三相或单相交流电变换为稳定的±430V直流电送至直流母线，为后级的高频逆变电路提供稳定的直流母线电压。

2、高效高频整流技术

为提高功率密度及整机效率，减小对电网的污染，整流器采用了单管功率因数校正(PFC)的高频整流技术，如图3所示。每相的高频整流电路只需一个IGBT即可提供正负直流母线电压，效率很高。采用了带功率因数校正的高频整流技术后，可实现UPS输入的功率因数为1，输入电流谐波大大降低(谐波畸变率小于5%)，可对直流母线电压实现快速调控，从而在大大减少了对电网的谐波污染的同时，大大降低了直流母线电压的纹波系数，提高了直流母线电压的稳定性，此外，对蓄电池的充放电更加地灵活。而所有模块的高频整流电路的输出能够并联运行，这也进一步提高了系统稳定性和可靠性。

图3 PFC高频整流单元主电路示意图

图3是一个含升压(Boost)型功率因数校正器APFC(Active Power Factor Correction)的高频整流器电路原理及波形图。主电路由单相桥式不控整流器和DC-DC Boost变换器组成。虚线框内为控制电路，包括：电压误差放大器VAR、电流误差放大器CAR、乘法器、比较器C和驱动器等。假定负载需要一个电压为V*0的直流电压，有源功率因数校正器APFC的工作原理如下：将主电路的输出电压V0和指令输出电压V*0送入一个比例积分PI型电压误差放大器VAR，VAR的输出是个直流量m，当实际输出直流电压V0大于指令值V*0时，V0>V*0，m减小;当V0二极管整流电压Vdc检测值Vdc=|VS|(交流电源电压瞬时值的绝对值)和VAR的输出电压信号m共同加到乘法器的输入端，用乘法器的输出m|VS|作为电感电流iL(|iS|=iL)的电流指令值ir，因此电流指令ir(ir=mvdc)=m·|VS|的波形与交流电源电压VS相同，即指令电流ir是与交流电源 VS同相位的正弦波，而ir的大小则取决于实际电压V0与电压指令值V*0的误差。将ir与电感电流iL的检测值(iL=|iS|)一起送入比例、积分PI型电流误差比较器CAR，CAR的输出作为开关管T的PWM驱动控制电压Vr，最后将Vr与一个恒频三角波V△送入比较器C，C的输出被取作开关管T的驱动信号VG，经驱动器功率放大后再驱动开关器件T。当iL=|iS|

图3(c)给出输入电压VS、Vdc指令和仅有很小纹波的iL、iS波形。由图可见，输入电流被高频PWM调制成接近正弦(含有高频纹波)的波形。图3(a)中iD为流过二极管的电流，iT为流过开关管T的电流。在一个开关周期内，当开关管T导通时，ID=0 ，|is|=iL=ir ;当开关管T断开时，iT=0 ， |is|=iL=iD;具有高频纹波的输入电流iS经很小的LC滤波后即可得到较光滑的正弦波电流，它也正是每个开关周期中IS(IL)的平均值。

3、数字化的高频三电平逆变技术

逆变部分是UPS的核心部分。由于直流母线电压达到±430V，我们在吸收国际最新的、高性价比的逆变器方案的基础上，采用了三电平逆变器结构，如图4所示。三电平电路有效地解决了IGBT的耐压问题，在SPWM调制中也可大大降低IGBT的开关频率。三电平电路也使得逆变器的热损耗小、噪音低、电磁干扰小、功率密度高，且性能可靠，工作稳定、寿命长。三电平电路输出的SPWM电压波形经过LC滤波后输出纯正的正弦电压波形。通过采用合理的输入输出共地技术，使得逆变器不再需要笨重而昂贵的输出工频变压器及高频隔离变压器，从而大大降低了成本、体积及损耗。